Паровая турбина физика: Паровая турбина — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Паровая турбина.КПД — Физика — Презентации

ПАРОВАЯ ТУРБИНА

КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

ТУРБИНЫ

Турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение ) — двигатель с вращательным движением рабочего органа (ротора), преобразующий потенциальную энергию, кинетическую энергию, внутреннюю энергию рабочего тела, пара, газа, воды, в механическую работу.

Монтаж паровой турбины, произведённой Siemens , Германия

Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидро электростанциях, в качестве двигателей на морском, наземном и воздушном транспорте, как составная часть гидродинамической передачи.

Устройство, подобное турбине, но имеющее привод вращения лопаток от вала — компрессор или насос.

Самая мощная в мире электростанция находится в Южной Америке, на реке Парана. Её 18 турбин вырабатывают 12 600 миллионов ватт/час электроэнергии.

сопло

Парова́я турби́на (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение ) — это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь совершает механическую работу на валу.

вал

диск

Паровая турбина является одним из элементов паротурбинной установки (ПТУ). Отдельные типы паровых турбин также предназначены для обеспечения потребителей тепла тепловой энергией.

Паровая турбина и электрогенератор составляют турбоагрегат.

лопатки

Принцип работы теплового двигателя

Нагреватель

Q 1

В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Q 1 , получаемое от нагревателя.

Некоторое количество теплоты IQ 2 I отдается холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл, не может быть больше

A полезная = Q 1 — Q 2

Рабочее тело

ГАЗ, ПАР

A= Q 1 — Q 2

Q 2

Холодильник

Окружающая среда

Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде:

Т.к. у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

КПД( Ƞ ) – отношение абсолютной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя

В 1883 году шведу Густафу де Лавалю удалось преодолеть многие затруднения и создать первую работающую паровую турбину. За несколько лет до этого Лаваль получил патент на сепаратор для молока. Для того, чтобы приводить его в действие, нужен был очень скоростной привод. Ни один из существовавших тогда двигателей не удовлетворял поставленной задаче.

Лаваль убедился, что только паровая турбина может дать ему необходимую скорость вращения. Он стал работать над ее конструкцией и в конце концов добился желаемого.

СЕПАРА́ТОР — аппарат для выделения какого-н. вещества из состава другого (например сливок из цельного молока).

Турбина Лаваля представляла собой легкое колесо, на лопатки которого через несколько поставленных под острым углом сопел наводился пар.

В 1889 году Лаваль значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель.

Разработки Чарлза Парсонса

В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрел специально для приведения в действие электрогенератора.

В 1885 году он сконструировал многоступенчатую реактивную турбину — соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это повысило интерес общества к тепловым турбинам

«TURBINIA» — опытное судно Чарлза Парсонса

Делаем паровую турбину дома

Турбины сейчас

Ответьте:

Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу?
КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?
Может ли КПД теплового двигателя быть равен 1,8; 50; 4; 90; 100%?

Домашнее задание:

Параграф 23, 24;
? к параграфу;
Повторить формулы для нахождения количества теплоты.

Презентация по физике на тему «Паровые и газовые турбины»

ПАРОВЫЕ И ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ

1. Паровая турбина
1.1 История изобретения
1.2 Принцип действия
1.3 Применение
2. Газовая турбина
2.1 История изобретения
2.2 Принцип действия
2.3 Применение
3. КПД паровых и газовых турбин
4. Заключение

ПАРОВАЯ ТУРБИНА

сопло

Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение.

вал

диск

лопатки

ИЗ ИСТОРИИ

Разработки Густава де Лаваля

В 1889 году он значительно усовершенствовал свое изобретение, дополнив сопла коническими расширителями. Это значительно повысило КПД турбины и превратило ее в универсальный двигатель.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В соплах потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую; в лопаточном канале под воздействием струи пара возникает центробежная сила, воздействующая на лопатки и вызывающая вращение ротора турбины. При соединении вала с генератором тока механическая энергия преобразуется в электрическую.

ПРИМЕНЕНИЕ

Применяется в качестве привода электрического генератора на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях, в качестве двигателей на морском, наземном и воздушном транспорте, как составная часть гидродинамической передачи.

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

Газовая турбина (фр. turbine от лат. turbo вихрь, вращение) — это двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Основными элементами конструкции являются ротор и статор, именуемый сопловым аппаратом.

ИЗ ИСТОРИИ

Норвежец Еджидиус Эллинг построил первую газовую турбину, которая могла выдать больше энергии, чем необходимо для ее работы, что рассматривалось как значительное достижение по тем временам, когда знания о термодинамике были ограничены. Однако только в конце XIX века, когда термодинамика, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня, Густаф Лаваль (Швеция) и Чарлз Парсонс (Великобритания) независимо друг от друга создали пригодные для промышленности газовые турбины.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал.

ПРИМЕНЕНИЕ

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами. Но чаще всего газовая турбина используется как привод генераторов. Применяются также в составе газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ).

КПД ПАРОВЫХ И ГАЗОВЫХ ТУРБИН

КПД паровой или газовой турбины 20–40%. Для повышения КПД на многих электростанциях тепло, отбираемое от паровой турбины, используется для нагревания воды. Горячая вода поступает в систему бытового и промышленного теплоснабжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поиски оптимального варианта привели к созданию комбинированных активных турбин со ступенями скорости. На ступенях происходит понижение температуры, поэтому лопатки ступеней можно делать из более дешевого материала, что дает экономический выигрыш. Паровые и газовые турбины очень актуальны в наше время и способствуют жизнедеятельности человека. Однако они оказывают вредное влияние на экологию и здоровье людей.

Спасибо за внимание!!!

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики Стэнфордского университета

Профессор Роберт Б. Лафлин, факультет физики, Стэндфордский Университет

Джеймс М. Гловния

31 октября 2007 г.

(Представлена как курсовая работа по физике 210, Стэнфордский университет, Осень 2007)

В целом турбина представляет собой устройство, в котором рабочая жидкость совершает работу над элементом, прикрепленным к вращающемуся валу. С пар имеет относительно высокую скрытую теплоту, огромный термодинамический потенциал энергия может храниться в паре, поэтому турбины часто используют пар в качестве рабочая жидкость. Однако эта тепловая энергия не может быть использована напрямую. и она должна быть сначала преобразована в кинетическую энергию путем быстрого расширения в сопле. Этот быстрый пар впоследствии воздействует на лопатки турбины, позволяет производить полезную мощность, что объясняет, почему паровые турбины в этот день занимают видное место в системах производства электроэнергии.

Термодинамическая работа и энтальпия

Вода, пожалуй, самая распространенная рабочая жидкость в турбины не зря. Вода дешевая, в изобилии, имеет разумный температура кипения, имеет промежуточную плотность, а главное имеет относительно высокая скрытая теплота.[1] Определение скрытой теплоты или энтальпии, h = u — p V, где u — полный термодинамический потенциал энергия, p — давление, V — объем. Таким образом, термодинамический потенциал энергия увеличивается линейно с энтальпией. Однако это мало что дает понимание того, как эта энергия может быть использована для выполнения полезной работы. К лучшему понять это, мы должны смотреть непосредственно на первый закон техники термодинамика применительно к контрольному объему с массовым расходом m, энтальпия h, скорость v и физическая высота z оцениваются на концах контрольной объем:

Это просто соотношение сохранения энергии где h — термодинамическая потенциальная энергия, v ₂ — кинетическая энергия, gz — потенциальная энергия силы тяжести, Q — теплота системы вход, W — работа, выполненная системой, а E — полная энергия, потерянная системой. система. Для системы сохранения массы и при условии хорошего поведения переменные мы можем написать

Если мы можем предположить, что турбина хорошо изолирована (что обычно и бывает) наряду с тем фактом, что гравитация потенциальная энергия не сильно меняется (разумное предположение для малых турбины), ясно, что работа, производимая системой, непосредственно связано с изменением энтальпии, а также с изменением кинетической энергия системы. Так как кинетическая энергия перегретого пара поступающий в турбину, а также пар низкого давления, выходящий турбины, на порядки меньше изменения энтальпии, изменение кинетической энергии системы также незначительно.[2] Таким образом, количество доступной работы турбины, за исключением фрикционных потери, это просто изменение энтальпии от перегретого пара до выход пара низкого давления турбиной, или


Рис. 1: Типичная геометрия сопла

Форсунки

Расширение газа через сопло (рис. 1) представляет собой пример обратимого процесса, при котором тепло почти не теряется и никакая работа не выполняется. Это пример изэнтропического процесса при этом энтропия системы остается постоянной. Мы используем это свойство через термодинамическое соотношение T ds = dh — V dp для решения для скоростей жидкости, выходящей из сопла. Установка приведенного выше уравнения в нуля и подставляя результат в соответствующий первый закон выражение, получаем dv = -dh/v. Этот результат в сочетании с уравнение неразрывности жидкости [1]

дает

Так как скорость звука c = (d p/d ρ) ^½ , где число Маха (M) определяется как v/c, использование уравнения Эйлера дает следующий результат

Теперь очевидно, что в случае дозвукового течения, когда dA/A уменьшается, как это происходит при ограниченном потоке, dv/v должно соответственно увеличение, как и ожидалось. Кроме того, когда выходная скорость становится сверхзвуковой, поток захлебывается. В этом запертом режиме потока сопло на самом деле действует как диффузор, который уменьшает, а не увеличивает скорость пара, что нежелательно. Отсюда и специальные сверхзвуковые сопла спроектированы с расходящимися отверстиями на лице, чтобы помочь свести к минимуму засорение поток.

Мы также можем использовать уравнение Эйлера для решения изменение энтальпии [2]

Здесь явно видно, что поток пара через сопло служит для увеличения его скорости, но это за счет энтальпия, которая является ключевой концепцией работы паровой турбины

Рис. 2: Вид сбоку двух типов турбин, показывающий пример линии подачи пара. Неподвижные лопасти расположены так, что образуют форсунки в обоих примерах. Лопасти ротора в импульсе турбина действует как гребные колеса, а лопасти ротора в реактивная турбина — это вращающиеся сопла, которые такие же, как и в соплах статора.

Рис. 3: Пример диаграммы скорости с соответствующие векторы компонентов.

Турбинная механика

В турбинах используются сопла (ограничения по площади) для увеличить кинетическую энергию входящего пара. Затем допускается пар. столкнуться с осевыми лопатками турбины (также называемыми ковшами), чтобы использовать кинетическую энергию пара и создавать полезный крутящий момент. Есть два общие типы конструкций турбин, которые содержат либо стационарные форсунки или вращающиеся форсунки (рис. 2), и общий анализ этих турбины будут лечиться самостоятельно.

Импульсные турбины

Импульсные турбины содержат стационарные сопла, направлять пар на вращающиеся лопасти. Начнем с энтальпийной энергии уравнение, которое при анализе с точки зрения интегральной кинетической энергии выражение из последнего раздела, равно

, подразумевая, что уравнение, управляющее выходом из сопла скорость (v ₁ ) равна

Кинетический пар, падающий на лопатку турбины, перенаправлен, как показано на рис. 3, приводит к результирующей касательной силе F на лопатка турбины. Используя обычные законы силы и применяя вектор алгебра, выражение для генерируемой мощности (без учета трения): [2]

Таким образом, мощность, передаваемая на турбину, просто связано с разницей кинетических энергий входного и выходного пара. Этот результат подчеркивает тот факт, что, хотя мощь пара заключается в его запасенная термодинамическая энергия, фактическая мощность, вырабатываемая в паре турбины получают за счет чистой кинетической энергии.

Реакционные турбины

Реакционные турбины содержат вращающиеся сопла и аналогичны в принципе роторным дождевателям газона, где сила реакции из жидкости создает крутящий момент. В паровых турбинах выходящий пар сопла, создающие крутящий момент, где один из первых известных паровых турбины, описанные Героем около 100 г. до н.э. [3], представляли собой реактивные турбины. Однако, поскольку такие турбины относительно примитивны и не очень эффективными, почти все турбины, работающие сегодня, представляют собой комбинацию реактивные и импульсные турбины. [4] Эти турбины очень сложны в проанализировать, и только небольшое количество анализа для идеального случая будет представлены здесь.

Чтобы начать анализ, мы используем наш предыдущий результат для реактивные турбины, где

Однако для простых вещей мы делаем несколько идеальных случаев приближения для получения компактного результата. Первое предположение заключается в том, что v _2t равно нулю, что в некоторых случаях может быть разумным предположение, но на практике почти невозможно реализовать. Кроме того, когда учитывая векторную геометрию лопасти, видно, что идеал скорость вращения лопасти для максимальной мощности v = v ₁ cos(α) Таким образом, мы можем получить оценку максимальной мощности реакции турбина:

Этот идеальный результат упрощает реактивную турбину случай максимальной эффективности, когда входной угол (альфа) равен нулю. Поскольку в действительности это нецелесообразно, дополнительные потери можно компенсировать позволяя турбине быть частично реактивной и импульсной. Здесь снова сила на турбину обеспечивается непосредственно кинетической энергией расширенный пар.

Ступенчатые турбины

После рассмотрения этого анализа, возможно, естественно задаться вопросом, где лучше всего использовать каждый тип турбины и как повысить эффективность быть увеличена. Ни одна ступень турбины не может быть очень эффективной из-за расхода ограничения, трение, конденсация и другие факторы. Естественно, там инженерные решения для оптимизации производительности там, где большинство турбин ступенчатый означает, что один и тот же пар последовательно проходит через несколько различные узлы или ступени турбины для увеличения крутящего момента и общего эффективность. Пример многослойной ступени Рато показан на рис. 4.[4] Как пар проходит через этот узел, его скорость увеличивается в сопло, падает в импульсной турбине, остается постоянным через набор стационарные поворотные лопасти, а затем снова падает в последующем импульсе поворотная ступень, как и ожидалось. Также видно, что давление падает. форсунки и в остальном остается постоянным на протяжении всего остального турбины, так как они свободны от ограничений по площади. это выгодно поскольку пар относительно высокого давления, выпускаемый на этой стадии, может быть легко повторно нагревается и дополнительно расширяется в последующей реакции типа низкого давления этапы.

Рис. 4: Ступенчатая импульсная турбина , показывающая относительную скорости и давления после каждой ступени. Обратите внимание относительно высокое давление на выходе.

Рис. 5: Ступенчатая реактивная турбина с относительным скорости и давления после каждой ступени.

Пример реактивной турбины показан на Рис. 5. Наборы стационарных сопел используются для пиковой входной скорости для каждой ступени реактивного ротора, а сам каждый ротор представляет собой сопло, действующее уменьшить абсолютную скорость пара за счет совершаемой работы. Поскольку пар расширяется на каждой ступени, давление падает. последовательно на каждом этапе. Таким образом, давление выхлопного пара из реактивная турбина относительно низка, и поэтому выгодно конденсировать и сжимать пар низкого давления для повторного использования в котле.

Пример питания

Паровые турбины используются для производства более 86% электроэнергии в стране. мир.[5] Они используются в первую очередь из-за их эффективности и способность генерировать огромное количество крутящего момента при содержании относительно несколько отдельных движущихся частей. В качестве реалистичного примера рассмотрим, что возможная Котел электростанции мощностью в несколько сотен мегаватт вырабатывает пар давлением 20 МПа (20 атмосфер) и при 500 °C, в то время как пар на выходе из турбины 4 МПа и при 300 °С. Использование паровых таблиц и общей энтальпии приведенных выше соотношений, мы находим, что идеальная турбина может создать 2924,3 кДж на кг пара, который представляет собой невероятное количество энергии.

Чтобы поместить это в В перспективе один кДж пара может генерировать такое же количество энергии, как кинетическая энергия маленького автомобиля упала с вершины Эмпайр Стейт здание. Завод, использующий эту турбину, может легко производить примерно 400-500 МВт электроэнергии непрерывно.

& копия 2007 г. Джеймс М. Гловния. Автор предоставляет разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, со ссылкой на автора, только в некоммерческих целях. Все другие права, включая коммерческие права, сохраняются за автор.

Ссылки

[1] Р. Догерти, Дж. Францини, Э. Финнемор, Fluid Механика с инженерными приложениями (8-е изд.) (McGraw-Hill, 1985).

[2] Д. Лук и Х. Зауэр, Инженерное дело Термодинамика (PWS Engineering, 1986).

[3] Л. Дерр (редактор), Cyclopedia of Engineering (Американское техническое общество, 1919 г.).

[4] Р. Тертон, Принципы турбомашиностроения (2-й изд.) (Чепмен и Холл, 1995).

[5] Авторы Википедии, «паровые турбины», Википедия, Бесплатная энциклопедия (по состоянию на 24 октября 2007 г.).

термодинамика — Как работает паровая турбина в замкнутом контуре?

На многих схемах угольных, газовых или атомных электростанций паровая турбина показана как часть замкнутой системы.

(Поиск «схема электростанции» — этот хорошо иллюстрирует суть.)

Помнится, я видел такие схемы, будучи старшеклассником, и тогда я подумал, что с ними что-то не так — хотя я не Я помню, как поднимал этот вопрос, так как предполагал, что узнаю его более подробно позже, и на мой вопрос будет дан ответ.

Теперь у меня есть степень по физике, и на мой вопрос до сих пор нет ответа — так что вот.

Что меня беспокоит в этой схеме, так это замкнутый контур между парогенератором и турбиной. Когда пар вырабатывается в парогенераторе, давление будет увеличиваться. Глядя на изображение, на которое я дал ссылку, автор изобразил резервуар, наполовину заполненный водой и наполовину заполненный паром. Вверху есть труба, «откуда выходит пар», и труба внизу, «куда входит вода». Однако давление внизу и вверху одинаковое. (На самом деле не совсем так, из-за силы тяжести, действующей на воду, давление на дне больше.)

Если пар проходит через турбину, предположительно давление на выходе ниже.

Затем на схеме изображен конденсатор, в котором давление, предположительно, также должно быть меньше.

Пар конденсируется в воду и затем перекачивается обратно в нижнюю часть котла.

Эта часть беспокоит меня. Энергия расходуется на перекачку воды обратно в котел. Это должно быть довольно много энергии, так как работа совершается против большого давления.

Я предполагаю, что тип используемого насоса подобен воздушному компрессору, т.е. работает циклично, а не как «вентилятор». Если это так, то было бы нормально иметь очень большую разницу давлений с обеих сторон насоса без больших затрат энергии.

Если все, что я описал выше, верно, то должно быть так, что энергия вырабатывается (в турбине) только из тепловой и кинетической энергии пара. Должно быть так, что мы должны возвращать энергию давления в систему через насос, чтобы поддерживать поток пара. (В противном случае у нас закончилась бы вода.) Причина этого в том, что без насоса у нас есть котел, соединенный с двумя концами турбины в контуре. Если мы будем кипятить воду в котле, повышая давление, то давление возрастает одинаково на обоих концах турбины, и потока не будет. Так что, очевидно, это не имело бы смысла, турбина не вращалась бы и не производилась бы электрическая энергия.

Должно быть так, что извлеченная кинетическая и тепловая энергия больше, чем возвращенная энергия давления. Как мы можем доказать (или продемонстрировать) это?

Является ли схема точным представлением реальной системы или отсутствует какая-то важная информация?

Так что мой вопрос, как мы анализируем эту систему? С моими очень элементарными познаниями в термодинамике я не знаю, с чего начать.